Электронно-лучевая сварка

Образование локализованного расплава на стыке двух материалов или деталей с последующим его затвердеванием и образованием неразъемного соединения является основой электронно-лучевой сварки. Этот вид сварки в вакууме отличается рядом преимуществ: чистотой процесса, безынерционностью управления сварочным лучом, точным дозированием энергии при использовании импульсного режима, совмещением рабочего процесса и контроля, возможностью программируемого движения луча, выполнением в одной рабочей камере и нагрева, и сварки, и размерной обработки. Это единственный вид сварки, позволяющей осуществить практически все виды сварных швов, при этом в изделиях меньше проявляются термические напряжения и коробление. Глубина швов может значительно превосхо­дить их ширину, составляющую в ряде случаев единицы микро­метров. Однако проведение высококачественной электронно-лу­чевой сварки требует точной подгонки кромок деталей сварива­емого изделия.

Сварочный процесс можно вести при низ­ком ускоряющем напряжении (до 30 кВ), среднем (до 60— 80 кВ) и высоком (до 200 кВ). Электронный пучок на поверхно­сти стыка материалов фокусируют в пятно диаметром от 0,1 мм до нескольких миллиметров, что при мощности сварочных пушек 1 - 100 кВт позволяет достигать плотностей мощности q =10⁵ - 10⁷ Вт/см².

Изменяя параметры процесса, можно получать различные соотношения глубины h проплавления к ширине d шва. По ­значению этого соотношения различают следующие режимы сварки: мягкий (h<<d), переходный (h  d), жесткий (h>d), с «кинжальным» проплавлением (h>>d). Глубокое проплавление достигается при относительно малом вводе тепловой мощ­ности в материал.

Простота управления параметрами пучка во времени и про­странстве позволяет реализовать как непрерывную, так и им­пульсную обработку; выполнять швы сложной конфигурации. Выбор режима сварки зависит от теплофизических свойств ма­териалов, конструкции сварного соединения и требуемой гео­метрии зоны проплавления.

Для формирования шва сфокусированный электронный пу­чок должен перемещаться вдоль линии соединения с определен­ной скоростью v. При непрерывном процессе сварки чаще всего соблюдают соотношение h/d=1. Глубина проплавления при низ­ких и средних ускоряющих напряжениях зависит от мощности пучка. Если пренебречь рассеянием электронов в парах материа­ла, то сила тока луча и ускоряющее напряжение примерно оди­наково влияют на глубину проплавления. При высоких ускоряю­щих напряжениях значительная часть мощности расходуется на ионизацию паров в области кратера проплавления.

При прохождении пучка к свариваемым материалам элек­троны соударяются с молекулами остаточных газов и паров ма­териала и рассеиваются. Значительное расширение луча наблю­дается уже при давлении 1 - 10 Па. Поэто­му в сварочных камерах поддерживают вакуум р < 10^-2 Па.

Однако при ускоряющих напряжениях более 125 кВ и рассто­янии от выходного отверстия пушки до детали в несколько мил­лиметров можно выполнять сварку с отношением h/d = l - 5 да­же при атмосферном давлении. Установлено, что при токе пучка, выходящего в атмосферу, порядка 30 мА плотность газа в области потока электронов снижается в 8 раз - в результате возможно подведение к поверхности материала потока электро­нов с достаточной для сварки плотностью.

Одной из проблем сварки является требование ограничения степени закалки и предотвращения появления закалочных тре­щин. Для этого необходимо снизить скорость нагрева (dT/dt), например, предварительно подогревая области, прилегающие к будущему шву, до температуры 150 - 400°С. Подогрев можно проводить расфокусированным электронным потоком, сканируя им вдоль и поперек шва и создавая тепловые поля с необходи­мыми характеристиками. При этом используют пилообразную, меандровую, круговую или синусоидальную развертку.

Для полного или частичного восстановления свойств исход­ного материала в зоне шва в качестве заключительной опера­ции проводят термический отжиг, технологически осуществляе­мый, как и предварительный подогрев. Однако по сравнению с исходным материалом зона шва может быть обеднена летучими компонентами и первоначальные свойства материала целиком восстановить не удается.

Выполнение сварных швов со сложными траекториями тре­бует использования специальных поворотных столов, позволяю­щих перемещать детали в разных направлениях с определенны­ми скоростями.

Для высокой производительности в устройствах электронно­лучевой сварки применяют входные и выходные шлюзовые ка­меры, транспортеры для загрузки и выгрузки изделий из ваку­умной камеры. Управление всеми этими узлами, особенно в се­рийном производстве, целесообразно осуществлять с помощью управляющей вычислительной машины.

Особый интерес представляет проведение сварки с глубоким так называемым «кинжальным» проплавлением, когда можно достичь отношения h/d = 40. Этот режим характеризуется боль­шими ускоряющими напряжениями и плотностями мощности q>10⁷-10⁸ Вт/см². Так как глубина проникновения электронов в материал пропорциональна U²_уск, то основное выделение энергии происходит под поверхностным слоем. Перегрев в глубине материала не компенсируется отводом теплоты за счет теплопро­водности. Поэтому возникает пароплазменный канал с высоким давлением пара. Давление пара определяется температурой и может достигать значений от нескольких сотен до тысяч паскалей в зависимости от вида материала.

В режиме «кинжального» проплавления ширина швов d уменьшается пропорционально величине .Если прибли­женно считать сечение канала постоянным, то изменение глуби­ны h плавления при изменении ускоряющего напряжения можно рассчитать по формуле

, (12.22)

откуда

. (12.23)

В некоторых технологических процессах весьма существен­ным может оказаться тепловое воздействие на области, примы­кающие к «кинжальному» каналу. В этих граничных областях возникают высокие градиенты температуры, а тепловая волна имеет малую протяженность. С целью снижения температуры на­грева прилегающих областей целесообразно использовать им­пульсные режимы обработки.

При скважности импульсов G  0,l наблюдается слабое обра­зование жидкой фазы и процесс проплавления может перейти в процесс образования отверстия. Изменяя скважность в пределах G = 0,25 - 1, можно регулировать количество жидкой фазы и из­менять температурное поле в прилегающих ко шву облас­тях.

Сварочные электронно-лучевые установки подразделяются на три основных класса.

К первому из них относятся универсальные устройства с мно­гопозиционными сменными механизмами и сравнительно неболь­шими вакуумными камерами (длина до 2 м, диаметр до 1 м). Ка­меры откачиваются достаточно высокими по скорости откачки ва­куумными агрегатами. Механизмы установок позволяют вести сварку различных деталей плоской и коробчатой формы. Мощ­ность пучка — единицы киловатт при ускоряющих напряжениях 25 кВ и токе луча до 500 мА.

Некоторые из установок снабжены механизмом для автомати­ческой подачи присадочной проволоки под электронный луч при формировании кольцевых и продольных швов. С помощью копировального устройства имеет­ся возможность сварки криволинейных изделий по сложному контуру в гори­зонтальной плоскости. Основной недостаток установок первого класса — невысокая производительность процесса: лишь незначительная часть вре­мени отводится на сварочный цикл, а основная его доля расхо­дуется на загрузку, откачку, остывание и выгрузку готовых изде­лий.

Наиболее подходящими для сварки изделий большими пар­тиями являются установки второго класса с непрерывным про­цессом загрузки, сварки и выгрузки изделий с использованием загрузочных вакуумных шлюзовых камер, бункеров, секциониро­ванных вакуумных камер, транспортирующих элементов. Сварку в таких установках можно про­водить практически с той же производительностью, что и на воз­духе.

К третьему классу относятся электронно-лучевые установки для сварки изделий больших габаритов. Внутрикамерные меха­низмы этих установок обеспечивают точное расположение изде­лия и его равномерное вращение; предусмотрена автоматизация загрузочно-разгрузочных операций. Для повышения производи­тельности на вакуумной камере монтируется несколько пушек, что обеспечивает возможность за один цикл откачки провари­вать несколько кольцевых швов.